当前位置:

OFweek氢能网

其他

正文

氢社会2.0浪潮兴起

导读: “氢社会”的概念已经被提出有几十年,在这个社会里,氢为能源主轴。然而,就在几年前,这一概念有所改变,现在人们提及氢社会时所指的概念也有所不同。

本文作者: NE研究院

来源:NE时代

被叫做氢社会2.0的新的氢社会建设已经开始。现在除了燃料电池以外,储能电池和可再生能源也起到了重要的作用。世界开始向着不依赖化石能源,且能源利用成本很低的方向发展。

“氢社会”的概念已经被提出有几十年了。在这个社会里,以氢为能源的主轴(图1)。然而,就在几年前,这一概念有所改变,现在人们提及氢社会时所指的概念会有所不同。

氢社会2.0浪潮兴起

图1已经看到的“蓄电池+氢气社会”的全貌

在二者之间有两个主要的差异。一个是新的氢社会同时也是电池社会,储能电池在城镇里也同时得到普及。如下所述,这也是头一回和锂离子二次电池一起思考,因为从理性的经济的角度上来说是可行的。丰田汽车也设想了未来电池和燃料电池共存的场景(图2)。

氢社会2.0浪潮兴起

图2. 丰田还致力于蓄电池和燃料电池的共存

另外一个差异是大规模制氢的方法和之前的不太一样。之前,用高温水蒸气和天然气(甲烷)重整制氢是主要的方法注1)。但这种方法生产出的氢并不便宜。

这是因为天然气的成本被算进重整的成本里了,且由于控制难度大,成本也会相应增加。同时对化石能源的依赖也不会改变。如果说有什么优势的话,就是二氧化碳的排放可以被限制在重整工厂里,同时如果二氧化碳捕捉、储存技术成熟以后,可以大幅的降低二氧化碳排放注2)。

注1)例如,CH4+2H2O→CO2+4H2这一种反应。

注2)另一方面,各种社会基础设施变化是昂贵的。除了这些痛苦之外,能源采购的成本也会增加,如果获得的利益不明确,那么实现的动机也很模糊。无论政府挥舞旗帜多久,公司仍然在只发声不行动的,这是不合理的。

可再生能源激增的首选

而从另一方面来说,在新的氢能社会里,制氢的主要场景是由可再生能源发电来电解产生的 注3)。由于这种形式将能量转换为氢气,也被成为P2G(Power to Gas)。这种形式在之前已经被提起过,但直到几年前,这个概念还有点不切实际,略显”科幻“。

注3)还有从澳大利亚褐煤中取出的利用价值低的氢,进口到日本并做为补充供应的假设

这是目前最有力的选项。在日本海外,可再生能源是成本最低的能源,电能的价格经常是负的。在日本,2019年初大概引入了50GW的可再生能源。甚至在九州由于太阳能发电量太多,以至于情况最终变成了对发电量输出加以限制。

现在,大多数推进氢能社会的人都认真的说,利用这种可再生能源的剩余能量,可以用P2G大量生产氢气。 丰田前瞻技术开发公司,环境技术规划办公室,专业合伙人广濑雄彦先生之前是比利时氢能协会的发起人,该组织目的是为了促进世界氢社会的建设。

他表示,”为了降低全世界的CO2排放,大多数的发电系统都有必要是可再生能源,但是在缓冲能量输出波动方面,氢是一种非常有效的方式。

制氢冲刺已经开始

一些具体的努力已经开始。2019年1月31日起,福岛县的产业技术综合研究所 福岛可再生能源中心将用100%可再生能源制造生产氢气,向东京输送无二氧化碳的氢气,以供燃料电池汽车的运行。这也是计划于2020年7月在福岛县南美市全面运营的P2G研究设施“FH2R?”的先期宣传。

** ** FH2R(福岛氢能研究领域)** = NEDO、东芝能源系统、东北电力和岩谷产业共同促进的一个项目,如项目下使用10MW的太阳能光电的电力来电解水制氢。

氢社会2.0浪潮兴起

图3 可再生能源大规模生产氢气的时代

在海外也有这样的趋势。在德国,几个100MW规模的P2G设施项目将在2018年启动,并将于2022年左右投入运营。该国政府也在探讨在2030年应用2G-3GW级别的P2G。

分散型的P2G同时开展

不仅仅在大型发电站,在终端氢气站和小型燃料电池发电厂也可以使用可再生能源生产氢气。

氢社会2.0浪潮兴起

(a)本田的“智能氢气站” 电力使用者在现场利用可再生能源生产和使用氢的运动已经出现。本田开发了“智能氢气站(SHS)”,基于可再生能源生产氢气并供应给汽车。

氢社会2.0浪潮兴起

(b)东芝的氢气生产和储存,FC发电/储存集成容器“H2One” 已经在日本20各地点推出。东芝在东日本铁路公司的川崎市的武藏沟口车站安装了安装三个H2One蓄电池,P2G / FC和储氢一体化容器。

氢社会2.0浪潮兴起

(c)德国(下萨克森州北部) 位于德国北部的下萨克森州从2018年秋季起开始运营FC列车,估计10兆瓦的风力发电可为15辆FC列车提供足够的氢气。

氢社会2.0浪潮兴起

(d)中国·大连市 2016年,中国负责可再生能源和燃料电池国家项目的同济大学在大连引进了一个氢能站,该站用光伏和风力发电生产氢气。

目前在日本20个地方开发了“智能氢气站(SHS)”,用小型水电解装置当场制氢。东芝开发了一种一体机,包括蓄电池、水电解设备、储氢装置、FC发电系统和热水储存系统,并开始在站点内安装。德国计划向燃料电池列车提供用可再生能源产生的氢气。

引入500GW的可再生能源具备可能

对于可再生能源运营商,基于可再生能源的P2G也是顺水推舟。这是因为在日本引入的大部分可再生能源都是过剩的。这种情况下,在天气状况良好的情况下,唯一的办法就是不公平的低价卖出或者扔掉。如果将电力用于水电解,那么发电运营商和氢的使用者将成为双赢关系,同时获得很多益处。

具体来说,首先,这样对引入的可再生能源的电力系统或传输线路的容量没有限制(图5)。一些大学的研究者认为可以入日本的可再生能源将达到500GW,现在的10倍,基本上是日本电力系统最大容量的三倍。

氢社会2.0浪潮兴起

引入氢/燃料电池的四个主要影响

我们总结了将氢/燃料电池与蓄电池结合使用的社会影响。平整不仅实现了时间平整,还实现了空间平整。例如,有可能在海外可再生能源成本很低的地方生产氢气,并将其输入日本。除了燃料电池汽车的扩散之外,做为工业原料的使用得到促进,可以大大降低CO2的排放,同时可以大大降低做为燃料单独每年花费20万亿日元的石油进口成本。

还有一个优点是便于实现“时间均衡”,可再生能源的产量根据天气的波动存在很大的问题,但在输出波动中,波动周期少于一天的“高频”部分倍锂电池吸收,在雨水天气超过一天的“低频”部分,这一类的波动可以通过控制氢气的产生来进行吸收。这使得将可再生能源做为“基础负载电源”具备可行性。

除此以外,还可以实现“空间均衡”。在日本九州的太阳能发电和北海道、东北的风力发电分布不均的问题就可以得到有效的解决。氢气也可以进行运输。这可以将故事不仅仅局限于日本,还可以在澳大利亚、智利等地利用可再生能源制氢再进口至日本。

“剩余”氢气进入汽车和化学工厂

如果可再生能源的输出达到500GW或者更多,即使所有的能量需求都由可再生能源满足,仍然有可能性会发生一些变化注4)。可能会出现由于氢气产量过高以至于过剩的情况。

注4):日本的年耗电量大约为1万亿千瓦时(1000 TWh)。假设500G瓦是太阳能,那么年发电量总额大概就是600TWh,设备运行率为12%,仅为所需数量的60%左右。如果200GW是太阳能发电,300GW是风力发电(设备运行率为30%),则年发电量为1028TWh,超过需求量。

NEDO的下一代电池、氢燃料电池、和氢气组的首席研究员,大平英二先生表示,日本的电力消耗仅占总能耗的1/4。另外1/4是汽车等交通工具,而其余的一半是以工业和热的形式消耗了。

“在马上用电的情况下,我们可以使用锂离子二次电池,但如果再其他应用或者长期储存的情况下,我们可以把他转换为氢气”,NEDO的大平先生建议根据不同的目的使用不同的方式。

电池使氢更便宜

未来氢气的生产成本可能急剧下降。当下,使用可再生能源电解制氢已经被指出“无法建立经济可行性”。这一判断的基础是最初的水电解运行效率被认为很低。特别是对于过剩的电力,可能存在5%或者更低的运行效率。而另一方面,为了使水电解最大化,必须使装置的规模等于输出的波动的峰值。“这就是为什么我们无法收回投资成本,氢气的生产成本将非常高。”

东京大学国际高等研究所的古山先生和可持续性科学国际合作研究所的副教授菊池康纪在2018年12月宣布他们已经找到了推翻这一理论的条件(图6)。关键是连接到电力系统的固定式储能电池。如果储能电池相对便宜,则可以以低成本平衡一天的波动。然后水电解装置的体积可以相应降低,同时运行效率也可以得到提升。氢气的生产成本得到显著下降。

氢社会2.0浪潮兴起

6)蓄电池的氢气生产成本更低

(a)通过蓄电池的输出均衡来降低设备成本并提高运行率 物质材料研究机构和东京大学的研究人员已经证明了将P2G/FC与蓄电池结合使用的必要性。如果没有LIB等蓄电池进行平整,水电解系统需要引入与可再生能源发电峰值相匹配的规模的设备。然而,在这种系统下,由于水电解系统的容量利用率低,所以投资回报期大幅延长,制氢的成本仍然很高。另一方面,通过用蓄电池减小输出波动后使用水电解装置,可以以高运行率使用小规模的设备,并且可以在短时间内恢复投资。最终实现氢的生产成本下降。

氢社会2.0浪潮兴起

(b)具体的试算举例 通过这样的组合,预计2030年左右的氢气将在30日元左右,而且与汽油相比具备成本竞争力。

具体而言,2030年,日本预计的太阳能发电成本为7日元/kWh,蓄电池的系统成本为2万日元/kWh,水电解系统的功率成本为5万日元/kW,假设使用寿命为10年,则氢气的生产成本估计为约30日元/Nm3。这相当于目前汽油成本的三分之一左右,NIMS的古山表示“未来会更加便宜”。

便利店和酒店利用燃料电池发电

为了实现一个新型的氢社会,已经有一些在城市间的便利店和酒店里安装燃料电池发电装置的举动。到目前为止,松下和东芝能源系统已经开发了“Enepharm”装置,该装置通过重整城市的燃气并通过燃料电池来进行发电注5),但也开发基于纯氢发电的燃料电池装置。

这两者都使用固体高分子型燃料电池(PEFC)类型,但不适用能量进行重整,松下设备的发电效率为57%,东芝能源系统产品的发电效率为50%或更高,两者都是传统的PEFC类型,但效率要高于“Enepharm”。

注5)东芝已经于2017年7月结束了Enefarm的销售。

氢社会2.0浪潮兴起

氢社会2.0浪潮兴起

图7 松下和东芝参与纯氢燃料电池发电机

松下(a)和东芝(b)纯氢燃料电池发电机及其应用扩展工作如图所示。 松下采用城市天燃气重整制氢供给其家用燃料电池系统“ENE-FARM”,将发电规模增加到5千瓦,并将其出售给便利店和公寓的公共区域。

东芝开发了热电联产系统“H2Rex”,除发电外还可供热(热水),并于2018年5月将其引入神奈川县川崎市的一家酒店。

松下目前正在川崎市的氢气站安装1号机组,并在其展示厅内使用该制氢装置生产的氢气。在未来该公司计划向氢气站周边的便利店、公寓等新建一条氢气管道,并且利用燃料电池发电机发电。

然而,在2018年1月,东芝能源系统在7-11本社的店铺内引入了一个纯氢气燃料电池发电机H2Rex。在同年5月,H2Rex被引入羽田机场附近的一家酒店,还能提供将发电过程中产生的热量作热水的功能。

据说可以供应该酒店30%的能源需求。氢气通过氢气管道由昭和电工的废塑料工厂供应,该工厂距离约5公里。

燃气轮机也可使用氢气

PEFC型的氢燃料电池发电机的发电效率为57%,固体氧化物燃料电池发电效率使65%,基于PEFC和SOFC的“良好技术”的质子传导陶瓷燃料电池(PCFC)预计将高达75%。效率超过火力发电厂燃气轮机的65%。那么,是否有可能增加燃料电池发电机来取代火力发电厂呢?

NEDO的大平先生表示,”在20世纪80年代出现过这种想法,但燃气轮机可以从规模中受益,对燃料电池发电则是不可想象的,因为功率和成本是成正比例的。”目前,在燃气轮机中使用氢气的演示实验正在进行中(图8)。

氢社会2.0浪潮兴起

(a)神户港岛氢气热电联产系统

氢的使用不仅仅限于使用FC的发电的探索已经开始,在神户港岛,正在进行使用氢气轮机的示范试验。

氢社会2.0浪潮兴起

(b)英格兰中部进行的大规模制氢和管道规划

图8 努力实现氢气大规模分布的进展

在英国,2014年至2016年,在该国中部的利兹市进行了一次“H21利兹城门”示范实验,将供应给家庭和建筑的天燃气转换为氢气。目前,正在进行的”英格兰北部H21(NOE)项目“比其大10倍,正在进行中,还规划了非常大的8TWh的储氢容量。

据大平表示,氢燃料电池和氢燃气轮机的功率分歧点在1MW。燃料电池发电装置更适合家庭到中型建筑,对于大型建筑和社区才是氢燃气轮机应用的场景。

例如,在英国中部地区,包括6个城市,将天然气转换为氢气的项目正在大规模进行注6)。从现在开始,将有可能听到全世界氢社会建设的声音。

注6) 该项目的主要氢气来源于天然气的重整。H21 NoE还考虑引入1.5GW的水电解槽,但令人失望的是成本过高。

声明: 本文由入驻维科号的作者撰写,观点仅代表作者本人,不代表OFweek立场。如有侵权或其他问题,请联系举报。

我来说两句

(共0条评论,0人参与)

请输入评论内容...

请输入评论/评论长度6~500个字

您提交的评论过于频繁,请输入验证码继续

暂无评论

暂无评论

文章纠错
x
*文字标题:
*纠错内容:
联系邮箱:
*验 证 码:

粤公网安备 44030502002758号